高中化学苏教版 (2019)选择性必修1专题2 化学反应速率与化学平衡第三单元 化学平衡的移动学案

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1．化学平衡图像的类型及特点
(1)速率—时间图像(v­t图像)
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Ⅰ．正反应速率突变，逆反应速率渐变，v′正＞v′逆，说明是增大了反应物的浓度，使正反应速率突变，且平衡正向移动。
Ⅱ．v正、v逆都是突然减小的，v′正＞v′逆，平衡正向移动，说明该反应的正反应可能是放热反应或气体总体积增大的反应，改变的条件是降低温度或减小压强。
Ⅲ．v正、v逆都是突然增大的，并且v正、v逆增大程度相同，说明该化学平衡没有发生移动，可能是使用了催化剂，也可能是对反应前后气体总体积不发生变化的反应增大压强(压缩体积)所致。
分析方法
判断平衡移动方向，根据v′正、v′逆的相对大小；判断改变的哪种外界条件，根据改变条件的那一时刻v′正、v′逆的变化，若v′正或v′逆有一个在原平衡未变则为改变的浓度；若两个都发生了“突变”，则为改变的温度或压强；若两个都发生了“突变”且仍然相等，则为加入催化剂或等体反应改变压强。
(2)百分含量(或转化率)—时间—温度(或压强)图像
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Ⅰ．T2＞T1，温度升高，平衡逆向移动，正反应是放热反应。
Ⅱ．p2＞p1，压强增大，A(反应物)的转化率减小，说明正反应是气体总体积增大的反应。
Ⅲ．生成物C的百分含量不变，说明平衡不发生移动，但反应速率a＞b，故a可能使用了催化剂；若该反应是反应前后气体总体积不变的可逆反应，a也可能是增大了压强(压缩体积)。
分析方法
①“先拐先平数值大”。在化学平衡图像中，先出现拐点的反应则是先达到平衡，先出现拐点的曲线表示的温度较高(如图Ⅰ中T2＞T1)、压强较大(如图Ⅱ中p2＞p1)或使用了催化剂(如图Ⅲ中a使用了催化剂)。
②正确掌握图像Ⅰ、Ⅱ中反应规律的判断方法
图Ⅰ中，T2＞T1，升高温度，生成物百分含量降低，平衡逆向移动，正反应为放热反应。
图Ⅱ中，p2＞p1，增大压强，反应物的转化率降低，平衡逆向移动。则正反应为气体体积增大的反应。
图Ⅲ说明了条件改变对化学平衡不产生影响，a可能是加入了催化剂，或该反应是反应前后气体体积不变的反应，a是增大压强。
(3)百分含量(或转化率)—压强—温度图像
如上图中确定压强为105 Pa或107 Pa，则生成物C的百分含量随温度T的升高而逐渐减小，说明正反应是放热反应；再确定温度T不变，做横坐标的垂线，与压强线出现两个交点，分析生成物C的百分含量随压强p的变化可以发现，压强增大，生成物C的百分含量增大，说明正反应是气体总体积减小的反应。
分析方法
在化学平衡图像中，包括纵坐标、横坐标和曲线所表示的三个量。确定横坐标所表示的量，讨论纵坐标与曲线的关系，或者确定纵坐标所表示的量，讨论横坐标与曲线的关系，即“定一议二”。如上图中T1温度下，A→B压强增大，C%增大，平衡正向移动，则正反应是气体分子数减小的反应；105 Pa时，A→C温度升高，C%减小，平衡逆向移动，则正反应是放热反应。
(4)物质的量 (浓度)—时间图像[n(c)­t图像]
在2 L密闭容器中，某一反应有关物质A(g)、B(g)、C(g)的物质的量变化如图所示。
①横坐标表示反应过程中时间变化，纵坐标表示反应过程中物质的物质的量的变化。
②该反应的化学方程式是3A(g)＋B(g)2C(g)。
③在反应达2 min时，正反应速率与逆反应速率之间的关系是相等。
④若用A物质的量浓度的变化表示反应达平衡(2 min)时的正反应速率是0.15 ml·L－1·min－1。
分析方法
各物质的n或c不随时间变化时达到平衡状态，据起始量和平衡量求出转化量，各物质的转化量之比等于化学计量数之比，可以得出方程式中的化学计量数。
(5)特殊图像
①对于反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g) ΔH＜0，M点前，表示化学反应从反应开始到建立平衡的过程，则v正＞v逆，M点为平衡点，M点后为平衡受温度的影响情况。
②如图所示曲线是其他条件不变时，某反应物的平衡转化率与温度的关系曲线。图中标出的1、2、3、4四个点，表示v正＞v逆的是点3，表示v正＜v逆的是点1，而点2、4表示v正＝v逆。
分析方法
①中图像，由于某一条件对平衡的影响只能向一个方向移动，所以最高点(最低点)及以后为平衡状态受条件的影响情况，前面为未达到平衡的情况。
②中图像曲线上的点全为对应条件下的平衡点。
2．解题思维建模
对反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g) ΔH，反应特点与对应的图像的说法中不正确的是( )
① ②
③ ④
A．图①中，若p1＞p2，则a＋b＞c＋d
B．图②中，若T2＞T1，则ΔH＜0且a＋b＝c＋d
C．图③中，t1时刻改变的条件一定是使用了催化剂
D．图④中，若ΔH＜0，则纵坐标不可能是反应物的转化率
C [图①中，温度升高，A%增大，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应；若p1＞p2，p1时A%低于p2，说明压强增大，平衡正向移动，则反应前气体分子数大于反应后气体分子数，即a＋b＞c＋d，A正确；图②中压强增大，A的转化率不变，平衡不移动，则a＋b＝c＋d；若T2＞T1，升高温度，A的转化率降低，平衡逆向移动，则正反应为放热反应，ΔH＜0，B正确；图③中，t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂，也可能是增大压强(当a＋b＝c＋d时)，C错误；图④中，T1＞T2，若ΔH＜0，升高温度，平衡逆向移动，反应物的转化率减小，则纵坐标不可能是反应物的转化率，D正确。]
1．下面的各图中，表示2A(g)＋B(g)2C(g)(正反应放热)这个可逆反应的正确图像为( )
A B
C D
A [随着温度的升高，化学平衡应向吸热反应方向即逆反应方向移动，所以生成物C的体积分数减小，反应物的含量增大、转化率减小，A正确、D错误；增大体系的压强，由于反应的两边都是气态物质，所以正反应和逆反应的速率都增大，B错误；加入催化剂，只能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，不能使平衡移动，所以达到平衡后，各组分的浓度及体积分数应该不变，C错误。]
2．反应mX(g)nY(g)＋pZ(g) ΔH，在不同温度下的平衡体系中，物质Y的体积分数随压强变化的曲线如图所示。下列说法错误的是( )
A．该反应的ΔH＞0
B．m＜n＋p
C．B、C两点化学平衡常数：KB＞KC
D．A、C两点的反应速率v(A)＜v(C)
C [由图可知温度升高，Y的体积分数增大，说明平衡正向移动，则正反应为吸热反应；增大压强，Y的体积分数减小，说明平衡逆向移动，则m＜n＋p；对吸热反应来说，温度升高，K增大，KB＜KC；A、C两点温度相同，C点压强大，则C点的速率大于A点。]
3．乙醇是重要的有机化工原料，可由乙烯水化法生产，反应的化学方程式为C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)，下图为乙烯的平衡转化率与温度(T)、压强(p)的关系[起始n(C2H4)∶n(H2O)＝1∶1]。
下列有关叙述正确的是( )
A．Y对应的乙醇的物质的量分数为eq \f(1,9)
B．X、Y、Z对应的反应速率：v(X)>v(Y)>v(Z)
C．X、Y、Z对应的平衡常数数值：KXD．增大压强、升高温度均可提高乙烯的平衡转化率
A [据图可知，Y点对应乙烯的平衡转化率为20%，起始n(C2H4)∶n(H2O)＝1∶1，设C2H4和H2O的起始物质的量均为1 ml，根据“三段式”计算：
C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)
起始/ml 1 1 0
转化/ml 0.2 0.2 0.2
平衡/ml 0.8 0.8 0.2
则平衡时乙醇的物质的量分数为eq \f(0.2 ml,(0.8＋0.8＋0.2)ml)＝eq \f(1,9)，故A正确；结合图像可得：p1KY>KZ，故C错误；因正反应是气体体积减小的反应，则压强越大，乙烯的平衡转化率越大，又因正反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，乙烯的平衡转化率降低，故D错误。]
氨是最基本的化工原料之一，其人工制备的研究最早要追溯到1898年。当时，德国的弗兰克(A．Frank,1834—1916)等人研究出了氮气与碳化钙(CaC2)、水蒸气反应制备氨的方法。随后，这种方法被工业化。但是，由于成本过高，无法投入大规模生产。于是，开发更加廉价可行的合成氨方法成了当时化工领域非常瞩目的研究方向。
德国化学家哈伯(FHaber,1868—1934)从1902年开始研究氮气和氢气直接合成氨，并于1908年申请了循环法合成氨的专利。该专利主要包括以下过程：气体通过高温催化剂；低温除氨后再次循环，通过高温催化剂；全过程在一定压强下进行；进出催化剂床的冷、热气体进行热交换；用蒸发成品氨来冷却离开催化剂的气体。下图所示为哈伯所用合成氨的实验装置。
哈伯因发明用氮气和氢气合成氨的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。博施因开发合成氨采用的高压方法而获得了1931年诺贝尔化学奖。可以说，合成氨技术是人类科学技术领域的重大突破。
到目前为止，氨的合成实现工业化生产已经100多年了，使用的催化剂和当初最早开发的依然类似。根据统计，全世界在合成氨工业上消耗的能源占全人类能源消耗的 1%～2%。为了降低合成氨的能耗，人们一直试图对合成条件进行优化。2016年，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队合成了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、1 MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展更加节能的催化剂提供了新的思路。
[问题1] 压强对合成氨反应速率和平衡混合气中NH3含量有什么影响？合成氨实际生产中还要考虑哪些因素？
[提示] 压强越大，合成氨反应速率越快，平衡混合气中NH3含量越高；合成氨实际生产中还要考虑压强对材料和设备的要求综合经济效益。
[问题2] 催化剂对合成氨反应速率有什么影响？合成氨实际生产中还要考虑哪些因素？
[提示] 催化剂的使用，可加快合成氨反应速率；合成氨实际生产中还要考虑催化剂的活性、防止催化剂中毒等。
[问题3] 影响化学反应进行的因素有哪些？在实际生产中调控化学反应的进行，要综合考虑哪些因素？
[提示] 影响化学反应进行的因素有：①参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素；②温度、压强、浓度、催化剂等外界条件。在实际生产中调控化学反应的进行，要综合考虑设备条件、安全操作、经济成本等。
[问题4] 工业上合成氨采用的具体条件是什么？
[提示] 工业上通常采用铁触媒、在400～500 ℃和 10～30 MPa的条件下合成氨。
通过本情境素材中合成氨条件的选择提升了变化观念与平衡思想、科学态度与社会责任的化学核心素养。
1．在密闭容器中进行反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)(正反应放热)。如图是某次实验的化学反应速率随时间变化的图像，推断在t1时刻突然改变的条件可能是( )
A．催化剂失效 B．减小生成物的浓度
C．降低体系温度 D．增大容器的体积
C [从图像可以看出：改变条件后，反应速率与原平衡速率出现断点且低于原平衡反应速率，说明改变的条件可能是降低温度或减压。从改变条件后的v′正与v′逆的大小关系，可得出化学平衡正向移动。降低温度，该平衡正向移动，必有v′正>v′逆，故选C。]
2．(2019·江苏高考，改编)在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是( )
A．反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)的ΔH>0
B．图中X点所示条件下，延长反应时间能提高NO转化率
C．图中Y点所示条件下，增加O2的浓度不能提高NO转化率
D．380℃下，c起始(O2)＝5.0×10－4 ml·L－1，NO平衡转化率为50%，则平衡常数K<2 000
B [A．随温度升高NO的转化率先升高后降低，说明温度较低时反应较慢，一段时间内并未达到平衡，分析温度较高时，已达到平衡时的NO转化率可知，温度越高NO转化率越低，说明温度升高平衡向逆反应方向移动，根据勒夏特列原理分析该反应为放热反应，ΔH<0，故A错误；B．根据上述分析，X点时，反应还未到达平衡状态，反应正向进行，所以延长反应时间能提高NO的转化率，故B正确；C．Y点，反应已经达到平衡状态，此时增加O2的浓度，使得正反应速率大于逆反应速率，平衡向正反应方向移动，可以提高NO的转化率，故C错误；D．设NO起始浓度为a ml/L，NO的转化率为50%，则平衡时NO、O2和NO2的浓度分别为0.5a ml/L、(5×10－4－0.25a)ml/L、0.5a ml/L，根据平衡常数表达式K＝eq \f(c2NO2,c2NO·cO2)＝eq \f(0.5a2,0.5a2×5×10－4－0.5a)>eq \f(1,5×10－4)＝2 000，故D错误。]
3．有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个体积均为0.5 L的恒容密闭容器，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中按不同投料比(Z)充入HCl和O2(如下表)，加入催化剂发生反应：4HCl(g)＋O2(g)2Cl2(g)＋2H2O(g) ΔH。HCl的平衡转化率与Z和T的关系如图所示。
下列说法不正确的是( )
A．ΔH<0
B．a<4C．若容器Ⅲ反应某时刻处于R点，则R点的反应速率：v正>v逆
D．300 ℃时，该反应平衡常数的值为320
D [由图像可知，随着温度的升高，HCl的平衡转化率减小，说明平衡逆向移动，则正反应是放热反应，ΔH<0，A正确；在相同温度时，n(HCl)相同，eq \f(nHCl,nO2)越小，则HCl的平衡转化率越大，故a<4v逆，C正确；由于平衡常数只与温度有关，因此可根据Q点进行计算，起始时c(HCl)＝0.5 ml·L－1，由Z＝4求得c(O2)＝0.125 ml·L－1，而c(Cl2)＝c(H2O)＝0，平衡时c(HCl)＝0.5 ml·L－1－0.5 ml·L－1×80%＝0.1 ml·L－1，c(O2)＝0.125 ml·L－1－eq \f(0.5 ml·L－1×80%,4)＝0.025 ml·L－1，c(Cl2)＝c(H2O)＝eq \f(0.5 ml·L－1×80%,2)＝0.2 ml·L－1，则K＝eq \f(0.22×0.22,0.14×0.025)＝640，D错误。]
4．一定条件下合成乙烯的反应为6H2(g)＋2CO2(g)CH2===CH2(g)＋4H2O(g)。已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如下图。下列说法正确的是( )
A．M点的正反应速率v正大于N点的逆反应速率v逆
B．若投料比n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，则图中M点乙烯的体积分数为5.88%
C．250 ℃时，催化剂对CO2平衡转化率的影响最大
D．当温度高于250 ℃时，升高温度，平衡逆向移动，导致催化剂的催化效率降低
B [化学反应速率随温度的升高而加快，M点后催化剂的催化效率随温度的升高而降低，所以M点的正反应速率v正有可能小于N点的逆反应速率v逆，故A错误；设起始投料n(H2)为4 ml，则n(CO2)为1 ml，M点平衡时二氧化碳的转化率为50%，列“三段式”得：
6H2(g)＋2CO2(g)CH2===CH2(g)＋4H2O(g)
起始/ml 4 1 0 0
转化/ml 1.5 0.5 0.25 1
平衡/ml 2.5 0.5 0.25 1
所以乙烯的体积分数为eq \f(0.25 ml,(2.5＋0.5＋0.25＋1)ml)×100%≈5.88%，故B正确；催化剂不影响平衡转化率，只影响化学反应速率，故C错误；催化剂的催化效率与平衡移动没有关系，故D错误。]
5．在一定温度下，发生反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH＜0。改变起始时n(SO2)对反应的影响如图所示。下列说法正确的是( )
A．SO2的起始量越大，混合气体中SO3的体积分数越大
B．a、b、c三点中，a点时SO2的转化率最高
C．a、b、c三点的平衡常数：Kb＞Kc＞Ka
D．b、c点均为化学平衡点，a点未达到平衡且反应正向进行
B [由题图可知，O2的量一定，SO2的量越少，其转化率越高，故a点时SO2的转化率最高，B正确。]
探 究 任 务
化学平衡图像的分析方法
化学平衡图像的分析方法
容器
起始时
T/℃
n(HCl)/ml
Z
Ⅰ
300
0.25
a
Ⅱ
300
0.25
b
Ⅲ
300
0.25
4